Надо Знать![]() |
Литература ВведениеВодород (Н) - химический элемент с атомным номером 1, относится к 1-й группы периодической системы элементов. Простое вещество водорода - водород H 2 - бесцветный, без запаха и вкуса газ, самый легкий из всех известных газов. Изотопы водорода имеют собственные названия: 1 H - протий (Н), 2 H- дейтерий (D) и 3 H- тритий (T). Водород - один из основных компонентов всех природных органических соединений. Водород реагирует с неметаллами, с металлами образуются гидриды. Смесь водорода с кислородом ( гремучий газ) взрывается при поджигании. Водород - восстановитель. Сырье для промышленного получения водорода - газы нефтепереработки, газы природные, продукты газификации уголь и прочее. Основные лабораторные способы получения водорода: реакция углеводородов с водяным паром, неполное окисление углеводородов, конверсия оксида углерода, электролиз воды. Водород применяют для синтеза аммиака, метилового спирта, в процессах гидрогенизации, при сварке и резке металлов и. Водород - перспективное газообразное топливо. Дейтерий и тритий нашли применение в атомной энергетике. 1. ИсторияВыделение горючего газа при взаимодействии кислот и металлов наблюдали в XVI и XVII веках в начале становления химии как науки. Известный английский физик и химик Генри Кавендиш в 1766 году исследовал этот газ и назвал его горючим воздухом". При сжигании "горюче воздуха" давало воду, но соблюдение Кавендишем теории флогистона помешало ему сделать правильные выводы. Французский химик Антуан Лавуазье вместе с инженером Жаном Менье, используя специальные газометры, в 1783 году осуществили синтез воды, а впоследствии ее анализ, разложив водяной пар раскаленным железом. Таким образом они установили, что водород входит в состав воды (H 2 O) и может быть получен из нее. 2. Название элементаЛавуазье дал название "hydrogene" (от греч. ὕδωρ - Вода и γενναω - Рождаю) - тот, что рождает воду". Украинское название "водород" также отражает вхождение элемента в состав воды. Русское название "водород" - дословный перевод латинского названия hydrogenium . 3. РаспространениеВ земной коре содержится около 1% по массе, или 17,25 атомных проценты водорода. Относительное содержание водорода в атмосфере увеличивается с высотой. На уровне моря он составляет 0,00005% по объему, верхние же слои (выше 100 км) состоят в основном из него. Свободный водород содержится в горючих газах, выделяемых из земли. Он возникает при гниении и брожении органических веществ и поэтому содержится в кишечных газах человека и животных. Основная масса водорода находится в связанном состоянии в виде различных соединений. Наиболее распространенными из них являются вода, в состав которой входит 11,19% водорода. Известно большое количество соединений водорода с углеродом ( углеводороды). Водород входит в состав нефти, каменного угля, некоторых минералов. В лабораториях водород получают действием кислот на металлы, например действием серной кислоты на цинк :
В технике водород получают:
4. ПолучениеПромышленные способы получения простых веществ зависят от того, в каком виде соответствующий элемент находится в природе, т.е. может быть сырьем для его получения. Так, кислород, имеющийся в свободном состоянии, получают физическим способом - выделением из жидкого воздуха. Водород практически весь находится в виде соединений, поэтому для его получения применяют химические методы. В частности, могут быть использованы реакции разложения. Одним из способов получения водорода является реакция разложения воды от действием электрического тока. Основной промышленный способ получения водорода - реакция метана, который входит в состав природного газа, с водой. Она проводится при высокой температуре: СН 4 + 2 Н 2 O = CO 2 ↑ + 4Н 2 -165 кДж Обычно в лаборатории водород получают взаимодействием цинка соляной кислотой. 5. ИзотопыВодород встречается в виде трех изотопов, которые имеют индивидуальные названия: 1 H - протий (Н), 2 Н - дейтерий (D), 3 Н - тритий (радиоактивный) (T). Протий и дейтерий является стабильными изотопами с массовыми числами 1 и 2. Содержание их в природе соответственно составляет 99,9885 0,0070% и 0,0115 0,0070% [1]. Это соотношение может незначительно меняться в зависимости от источника и способа получения водорода. Изотоп водорода 3 Н ( тритий) нестабилен. Его период полураспада составляет 12,32 лет [1]. Тритий находится в природе в очень малых количествах. Природный водород состоит из молекул H 2 и HD (дейтероводень) в соотношении 3200:1. Содержание чистого дейтерийного водорода D 2 еще меньше. Отношение концентраций HD и D 2, примерно, 6400:1. Среди изотопов всех химических элементов физические и химические свойства изотопов водорода отличаются друг от друга сильно. Это связано с наибольшим относительным изменением масс атомов [2].
Молекулы дейтерия и трития имеют орто-и пара-модификации: p-D 2, o-D 2, p-T 2, o-T 2, в зависимости от ориентации спинов ядер. Гетероизотопни молекулы HD, HT, DT не имеют орто-и пара-модификаций.
6. Физические свойстваВодород - самый легкий газ, он легче воздуха в 14,5 раз. Очевидно, что чем меньше масса молекул, тем выше их скорость при одной и той же температуре. Как легкие, молекулы водорода движутся быстрее молекул любого другого газа и тем самым быстрее могут передавать теплоту от одного тела к другому. Отсюда следует, что водород имеет наивысшую теплопроводность среди газообразных веществ. Его теплопроводность примерно в семь раз выше теплопроводности воздуха. Молекула водорода состоит из двух атомов водорода - Н 2. При нормальных условиях - это газ без цвета, запаха и вкуса с плотностью 0,08987 г / л (н.у.), температурой кипения -252,76 C, теплота сгорания 120,9 Дж / кг. Водород мало растворим в воде - 18,8 мл / л. Водород хорошо растворяется во многих металлах ( Ni, Pt, Pd и др.), особенно в палладии (850 объемов на 1 объем Pd). С растворимостью водорода в металлах связана его способность диффундировать через них; диффузия через углеродистый сплав (например, сталь) иногда сопровождается разрушением сплава вследствие взаимодействия водорода с углеродом (так называемая декарбонизация). Практически не растворим в серебре. ![]() Фазовая диаграмма водорода Жидкий водород существует в очень узком интервале температур от -252,76 до -259,2 C. Это бесцветная жидкость, очень легкая (плотность при -253 C - 0,0708 г / см 3) и текучая (вязкость при -253 C - 13,8 пуаз). Критические параметры водорода очень низкие: температура -240,2 C и давление 12,8 атм. Этим объясняются трудности при сжижения водорода. В жидком состоянии равновесный водород состоит из 99,79% пара-Н 2 sub> и 0,21% орто-Н 2. Твердый водород имеет температуру плавления -259,2 C, плотность 0,0807 г / см 3 (при -262 C) - белоснежная масса с кристаллами гексагональной сингонии, пространственная группа - P 6 / mmc, с параметры ячейки a = 0,378 нм и c = 0,6167 нм. При высоком давлении водород переходит в металлическое состояние. Молекулярный водород существует в двух спиновых формах (модификациях) - в виде орто-и пара водорода. В молекуле ортоводню o-H 2 (т. пл. -259,10 C, т. кип. -252,56 C) ядерные спины направлены одинаково (параллельны), а в параводню p-H 2 (т. пл. -259,32 C, т. кип. -252,89 C) - противоположно друг другу (антипараллельно). Равновесная смесь o-H 2 и p-H 2 при заданной температуре называется равновесное водород e-H 2.
Разделить аллотропные формы модификации водорода можно адсорбцией на активированном угле при температуре жидкого азота. При очень низких температурах равновесие между ортоводнем и параводнем почти нацело сдвинуто в сторону пара. При 80К соотношение форм примерно 1:1. Десорбований параводень при нагревании превращается в ортоводень до образования равновесной при комнатной температуре смеси (орто-пара: 75:25). Без катализатора превращение происходит медленно (в условиях межзвездной среды - с характерными временами до космологических), что дает возможность изучить свойства отдельных модификаций. 6.1. Характеристики молекулы водородаМежатомные расстояния и энергии диссоциации молекул водорода, его изотопов и молекулярного иона водорода:
Константы реакции диссоциации молекулярного водорода (K p) и степень превращения (α) в зависимости от абсолютной температуры:
7. Химические свойстваМолекула водорода состоит из двух атомов. Химический Контакт в молекуле водорода - ковалентий неполярный, поскольку она образована атомами с одинаковой елетронегативнистю ( атомами одного вида). Общая электронная пара, образующая связь, находится посредине между ядрами атомов. Через спильнення электронов молекула водорода энергетически устойчива, чем отдельные атомы водорода. Химическая связь в молекуле водорода прочный, чтобы разорвать все молекулы водорода в 1 моле простого вещества необходимо затратить энергию в 436 к Дж, поэтому активность молекулярного водорода при обычной температуре мала. Для разрыва требуется активация молекулы - увеличение температуры, электрическая искра, свет. 7.1. Взаимодействие с неметалламиПри поджигании или в присутствии платинового катализатора водород реагирует с кислородом
Смесь двух объемов водорода и одного объема кислорода называется гремучим газом. При нагревании водород обратимо взаимодействует с серой :
С азотом - при нагревании, повышении давления и в присутствии катализатора ( железо):
С галогенами образует галогеноводни:
С сажей взаимодействует при сильном нагревании:
7.2. Взаимодействие с щелочными и щелочноземельными металламиВодород образует с активными металлами гидриды :
Гидриды - солеутворюючи, твердые, легко гидролизуются:
7.3. Взаимодействие с оксидами металлов (как правило, d-элементов)Оксид восстанавливаются до металлов :
7.4. Гидрирование органических соединенийПри действии водорода на ненасыщенные углеводороды в присутствии никель - катализатора и повышенной температуре, происходит реакция гидрирования: CH 2 = CH 2 ( этен) + H 2 = CH 3-CH 3 ( этан) Водород восстанавливает альдегиды до спиртов : CH 3 CHO (уксусный альдегид) + H 2 = C 2 H 5 OH ( этанол) 8. ПрименениеВодород находят применения при синтезе аммиака NH 3, хлороводорода HCl, метанола СН 3 ОН, при гидрокрекинзи (крекинг в атмосфере водорода) природных углеводородов, как восстановитель при получении некоторых металлов. Гидрированием природных растительных масел получают твердый жир - маргарин. Жидкий водород применяется как ракетное топливо и как охладитель, поскольку имеет наивысшую теплопроводность из всех газов. Смесь кислорода с водородом используют при сварке. Очень перспективным направлением является использование водорода как топлива для двигателей нового типа, так называемых топливных элементов. В США и Европе уже существуют водородные заправочные станции, которые обеспечивают водородом автомобили и автобусы, на нем работают. Эта отрасль называется водородная энергетика. См.. такжеПримечания
Литература
код для вставки Данный текст может содержать ошибки. скачать |